Muhadžić, A. (2012). Standsicherheitsuntersuchungen von Hohlraumbauwerken in Block-in-Matrix Gesteinen [Diploma Thesis, Technische Universität Wien]. reposiTUm. http://hdl.handle.net/20.500.12708/161466
Block-in-Matrix Gesteine sind Gesteine, die sich aus einer Matrix mit geringerer Festigkeit und darin eingebetteten Blöcken mit höherer Festigkeit zusammensetzen. Sowohl die Größen der Blöcke als auch die Verhältnisse der Festigkeiten können stark variieren und daher stellen Block-in-Matrix Gesteine für Geologen und Ingenieure eine große Herausforderung dar. Die vorliegende Arbeit hatte zum Ziel, die Beanspruchung von Tunnelauskleidungen in solchen Gesteinen mit Blockgrößen im Bereich des Tunneldurchmessers mittels nummerischer Methode zu untersuchen. Dazu wurden UDEC und FLAC, zwei Programme der Itasca Consulting Group, die auf der Finiten Differenzen- Methode basieren, verwendet. Berechnungen mit dem diskontinuumsmechanischen Code UDEC haben gezeigt, dass sich diese Modellierungsmethode nicht zur Simulation des Verhaltens von Block-in-Matrix Gesteinen eignet. Grund dafür war, dass in UDEC der Gesteinsblock nur mit durchgehenden Trennflächen modelliert werden konnte, diese aber die Ergebnisse der Berechnungen beeinflussten. Die Setzung, die allein durch den Kontrast der Eigenschaften des Blockes und der Matrix verursacht wurde, konnte nicht verifiziert werden. Daher wurde für weitere Untersuchungen das kontinuumsmechanische Programm FLAC verwendet. Anhand eines Stollens wurde der Einfluss eines Gesteinsblocks in einer Matrix auf die Beanspruchung der Stollenauskleidung untersucht. Das Schadensbild zeigt Risse im First- und im Sohlbereich. Die Untersuchungen erfolgten in drei Szenarien, zum Vergleich wurde auch die Ausbaubeanspruchung eines Stollens nur in Matrix ermittelt. Das erste Szenario umfasst Berechnungen mit einem breiten Block (Breite =Ulmenabstand). Diese Untersuchungen zeigten, dass sich bei dieser Blockbreite der breite Block auf die Matrix abstützt und damit die Matrix in den Ulmen zum Versagen bringt. Dieser Mechanismus würde daher ein anderes Bruchbild im Stollenbauwerk erzeugen als das beobachtete Schadensbild.<br />Im Szenario 2 wurde ein schmaler, kurzer Block untersucht. Die Breite entspricht der Hälfte des Ulmenabstandes. Die Länge wurde mit 1,15 m gewählt. Das dritte Szenario wird durch einen Block mit gleicher Breite wie im Szenario 2 (b=0,85 m) aber mit doppelter Länge von 2.30 m charakterisiert. Der Vergleich des Modells mit einem schmalen Block und des Modells "nur Matrix" zeigt, dass der in Matrix eingebettete Block nur sehr geringe Änderungen der Ausbaubeanspruchung gegenüber dem Szenario "nur Matrix" zur Folge hat. Er führt auch nur zu einer sehr geringen Asymmetrie in der Beanspruchung des Leitungsbauwerks. Die Berechnungen zeigen auch, dass trotz geringer Reibungsbeiwerte die Beanspruchungen des Leitungsbauwerks nur kurzfristig auftreten und sich die Verhältnisse stabilisieren. Der Einfluss der Blocklänge auf die Beanspruchungen des Leitungsbauwerks ist ebenfalls gering.
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Block-in-matrix rocks are formed by a matrix with lower strength and embedded blocks with higher strength. Since both the sizes of the blocks as well as the ratios of the strengths may vary to a great extent, block-in-matrix rocks represent a great challenge for geologists and engineers. The motivation of the present thesis was to investigate the stresses applied to tunnel linings in such rocks, with block sizes in a range of a tunnel diameter, by means of a numerical method. For this purpose two finite difference method software tools UDEC and FLAC (Itasca Consulting Group) were used.<br />Calculations based on the discontinuum code UDEC have shown that this modeling method is not suitable for the analysis of block-in-matrix rocks. The reason was that the UDEC environment allows modeling of the rock blocks with continuous joint faces only. This however significantly affected the results of the calculations. The settlement, which was caused solely by the contrast of the properties of the block and the matrix, could not be verified.<br />Therefore, for further investigations, the continuum-mechanical tool FLAC was employed. By using a tunnel, the influence of rock blocks in a matrix was investigated with respect to the induced stress on the tunnel lining. The obtained damage pattern indicates cracks in the roof and floor section. The numerical investigations were performed in three scenarios. For comparison also the stresses in the tunnel lining, embedded in matrix only, was determined.<br />The first scenario includes calculations with a large block (width =tunnel sidewall distance). These studies showed that for this particular width, the block is supported by the matrix in a way leading to the collapse of the matrix within the tunnel sidewall. This mechanism would therefore produce a different fracture pattern than the observed damage pattern mentioned above.<br />In scenario 2, a narrow and short block was investigated. The width corresponds to half the tunnel sidewall distance. The length was chosen as 1.15 meters. The third scenario is characterized by a block with the same width as in scenario 2 (b = 0.85 m) but with double length of 2.30 m. The comparison of the narrow block model with the model "matrix only" indicates that the block, embedded in a matrix, induces only very small stress changes as compared to the results for scenario "matrix only". It also leads to a very small strain asymmetry of the tunnel structure.<br />Furthermore the calculations show that the stress occurs on a short term only and a stabilized condition is reached, despite the low frictional coefficients used for the simulation. The influence of block length on the tunnel structure strain is marginal.<br />
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